Пучины на автомобильных дорогах

 

Пучины и процесс их образования. Одними из наиболее опасных деформаций и разрушений дорожных конструкций являются пучины. Пучины - это деформации и разрушения дорожной одежды в виде бугров и сетки трещин, возникающие в результате пучинообразования.

 

78

Под пучинообразованием (пучением) понимают неоднородные по площади проезжей части взбугривания дорожной одежды. Пучины образуются при одновременном сочетании трех факторов:

• интенсивное морозное влагонакопление, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна ;

• промерзание грунта под дорожной одеждой на глубину ;

• наличие мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков или других пучинистых грунтов.

При отсутствии любого из этих факторов пучины не образуются.

Величина пучения зависит от многих факторов, но главным образом от влажности грунта, глубины промерзания, продолжительности холодного периода и прочности дорожной конструкции. Величина неравномерного морозного пучения (высота бугров на поверхности дороги) может достигать 80…100 мм, что существенно снижает скорость движения автомобилей.

Классификация условий образования пучин приведена в табл. 4.1

 

Таблица 4.1. Классификация условий образования пучин.

 

Пучины (по генетическому характеру увлажнения грунтов)	Связь с грунтовыми и поверхностными водами	Характеристика процессов увлажнения
Гидрогеологические	Связаны, преимущественно, с высоким стоянием грунтовых вод. Накопление влаги происходит за счёт капиллярного поднятия грунтовых вод, преимущественно, в осенний и, частично, в зимний периоды	Резкое поднятие горизонта грунтовых вод в начале осенне-зимнего периода и высокое стояние его весной. Резкое возрастание влажности верхнего слоя грунтов насыпи в начале зимы с последующим затуханием процесса к концу зимы
Температурные	Связаны с перемещением грунтовых вод к зоне промерзания под действием значительных температурных градиентов и длительными сроками их действия	Циклическое изменение влажности верхней части грунтов земляного полотна. Интенсивное накопление ледяных прослоек у границы промерзания
Поверхностные	Связаны с длительным стоянием поверхностных вод, обильным выпадением атмосферных осадков и их проникновением через трещины покрытия в грунт земляного полотна в осенне-зимний период, плохой организацией работ по снегоочистке дорог	Переувлажнение обочин и откосов в начале осенне-зимнего периода. Перемещение влаги от обочин и откосов в конце зимы к более холодной проезжей части в результате перемещения снега с проезжей части на обочины
Смешанные	Ранее перечисленные в данной таблице, в разных соотношениях и комбинациях

 

 

79

Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта, которые происходят при сезонных изменениях ВТР земляного полотна и дорожной одежды.

В грунтах земляного полотна, которые представляют собой капиллярно-пористые тела происходит непрерывный тепло- и массообмен.

Грунты земляного полотна и слои дорожной одежды всегда имеют капилляры и поры, заполненные воздухом, водяным паром, а также пленочной, рыхлосвязанной или свободной водой в различных состояниях.

При этом вода непрерывно меняет свое фазовое состояние.

Есть два основных закона, которым подчиняется перемещение водяного пара

и воды в грунте земляного полотна: они перемещаются от влажного грунта к сухому

и от теплого грунта к холодному (рис. 4.3).

 

 

Рис. 4.3. Схема перемещения влаги и воздуха при промерзания грунта:

 

1 – частицы грунта; 2 – пленочная вода; 3 – свободная и рыхлосвязанная вода; 4 – воздух и пар в порах грунта; 5 – капиллярное поднятие воды; 6 – направленное перемещение пара и пленочной воды; 7 - направленное перемещение воздуха

 

Воздух в порах всегда перемещается от холодных участков к теплым.

Воздух и водяной пар, перемещаясь в порах грунта (диффузируя), периодически замещают один другого.

В связи с изменением температуры различных слоев грунта и дорожной одежды по сезонам года происходит и изменение направлений перемещения воздуха и воды в различных состояниях.

С понижением температуры свободносвязанная вода замерзает при 0^оС, пленочная и рыхлосвязанная вода при -3^оС, прочносвязанная вода и вода в капиллярах замерзает при более низкой температуре (-10…-30^оС). При промерзании грунта возникает температурный градиент (перепад температур), что вызывает термодиффузию (перемещение) воды, воздуха и водяного пара, которые, перемещаясь, замещают друг друга в порах.

 

80

Незамерзшая часть жидкой фазы воды перемещается от теплых слоев грунта к холодным, т.е. снизу вверх. Процесс миграции воды происходит до температуры -5 ^оС. При более низкой температуре гидравлическая связь между тонкими водными пленками нарушается, и миграция жидкой фазы прекращается.

Однако, пока есть температурный градиент, происходит термодиффузия пара, который всегда перемещается от теплых слоев грунта к холодным.

В то же время воздухперемещается от холодных слоев к теплым.Таким образом дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счет термодиффузии водяного пара. В зоне льдообразования возникают вначале кристаллы, а далее линзы льда. Водяной пар, охлаждаясь, превращается в воду, увеличивая пленку воды на частичках грунта и кристаллах льда и замерзает. Процесс продолжается до тех пор, пока существует градиент температур и приток водяных паров с нижних теплых слоев. Льдообразование сопровождается увеличением объема на 9 % и значительным давлением в земляном полотне, что и вызывает поднятие дорожной одежды. На пучинистых участках происходит взбугривание (неравномерное поднятие) в виде эллиптических неоднородных возвышений с трещинами ромбического очертания в плане. Это и есть процесс пучинообразования. Его начало совпадает с понижением температуры воздуха осенью и в начале зимы, когда верхние слои грунта имеют более низкую температуру, чем нижние. При дальнейшем понижении температуры граница промерзания грунта опускается, причем под дорожной одеждой промерзание происходит быстрее, чем под обочинами. В теле земляного полотна образуется зона междуфазового перехода, где грунт уже имеет отрицательную температуру, а вода в его порах находится в жидком состоянии (рис. 4.4).

 

 

Рис. 4.4. Промерзание земляного полотна зимой:

 

1 – снежный покров; 2 – поднятие поверхности дорожной одежды; 3 – линия промерзания земляного полотна; 4 – зона межфазового перехода грунта; 5 – линзы и прослойки льда;

УГВ – уровень грунтовых вод.

 

В результате льдообразования в теле земляного полотна поднятие верхней его части и дорожной одежды происходит всегда, но величина и равномерность его различны. Если объем льда небольшой и поднятие равномерное, пучины не образуются.

81

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное поднятие участков покрытия, взбугривание отдельных мест покрытия или образование группы взбугриваний, развитых по площади проезжей части с различной степенью интенсивности. Значительная часть из них, как правило, приводит к образованию в дорожной одежде сетки трещин, концентрирующейся у вершины бугров пучения, и разрушению покрытия на отдельные куски различной площади и формы. Иногда пучины в большей степени развиваются на обочинах, и их поднятие может оказаться большим, чем в зоне проезжей части.

В весенний период после схода снега на пучинистых участках могут появляться влажные пятна, наблюдается иногда выход вместе с водой мелких частиц дренирующего слоя или грунта земляного полотна, а также волнообразные колебания дорожной конструкции при наезде транспортных средств.

Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой. В этот момент лед превращается в жидкую фазу, которая под действием потенциала влажности и собственного веса мигрирует сверху вниз и задерживается на мерзлом, практически водонепроницаемом грунте. Спустя несколько дней над мерзлой поверхность грунта - донником - в верхней части полотна под дорожной одеждой возникает переувлажненное состояние (рис. 4.5).

Дорожная одежда теряет прочность, под действием транспорта разрушается, ее материал перемешивается с разжиженным грунтом. Такие разрушения обычно и называют пучинами.

 

 

Рис. 4.5. Земляное полотно в момент оттаивания грунта:

 

1 – разжиженный грунт; 2 – оставшийся донник; 3 – линия промерзания грунта;

УГВ – уровень грунтовых вод

 

При наезде на пучину колес автомобилей вода через трещины из донника выплескивается на поверхность проезжей части. Наступает период так называемого фонтанирования пучины.

По мере оттаивания грунта влага мигрирует в нижние слои полотна. Влажность начинает снижаться, прочность грунта увеличивается, а просадки стабилизируются. Пучины «закрываются».

 

 

82

 

Рис. 4.6. Схема морозного пучения дорожных одежд:

 

l_пуч – общее пучение; l_р – равномерное пучение; l_н – неравномерное пучение;

р – давление пучения; Н_од – толщина дорожной одежды; В – ширина проезжей части

 

Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость. Пучение вызывает растягивающие напряжения в верхних слоях дорожных одежд. Эти напряжения особо опасны в холодный период года, когда материал покрытий становится хрупким, и легко возникают трещины. В первую очередь такой опасности подвержены покрытия, построенные с применением органических вяжущих.

Исследования А.Я. Тулаева, А.И. Шеслера и других показали, что особо опасны для покрытий неоднородные понятия (рис. 4.6), которые являются основной причиной образования трещин. Поэтому при расчете дорожных одежд на морозоустойчивость с целью повышения надежности необходимо допускаемое морозное пучение  определять с учетом неоднородности пучения.

Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие

 

 

где  - расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;  - допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. 4.2).

Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле

 

83

Таблица 4.2. Допускаемое пучение грунта

 

Тип дорожных одежд	Вид покрытия	Допустимое пучение , см
Капитальные	Асфальтобетонное	4
Облегченные	«	6
Переходные	Переходное	10

 

Примечание. В восточных районах II-III дорожно-климатических зон значения  следует увеличивать на 20…40 % (большие значения - для облегченных и переходных дорожных одежд).

 

 

где l_пуч.ср - морозное пучение при осредненных условиях, определяемое по рис. 4.7 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости и глубины промерзания ;  - коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод; при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной = 0,43;

 

 

Рис. 4.7. Графики для определения морозного пучения при осредненных условиях l_пуч.ср:

 

кривые - II-V выбирают в зависимости от группы грунта увлажнения рабочего слоя;

Н_од - толщина дорожной одежды; z_пр – глубина промерзания грунта

 

84

 - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя;  - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки;  - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания;  - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта.

Уточненный расчет толщины морозозащитного слоя выполняют по термическому сопротивлению конструкций. Для этого необходимо иметь следующие исходные данные:

• географическое местоположение рассматриваемого участка дороги;

• конструкцию дорожной одежды (наименование и толщина слоев), необходимую по условиям прочности и дренирования;

• схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна и расчетную глубину залегания подземных вод от поверхности покрытия;

• наименование грунтов земляного полотна;

• расчетный срок службы дорожной одежды.

Основные направления и меры борьбы с пучинами состоят в том, чтобы максимально ускорить оттаивание и просыхание в первую очередь боковых частей земляного полотна, предохранить покрытие от разрушения, а там, где этих мер недостаточно, перестроить пучинистые участки с использованием прослоек из рулонных геосинтетических материалов.

На отдельных участках, где дорожная одежда обладает малой прочностью, движение переносят на объезд или ограничивают скорость движения и грузоподъемность автомобилей. Борьбу с пучинами прекращают, когда грунт земляного полотна полностью оттает и просохнет.